Summary
Nøjagtig kvantificering af fosfor (P) desorption potentiale i mættet jord og sedimenter er vigtigt for P modellering og transport afbødning indsats. For bedre at kunne gøre sig gæld ende for in-situ -redox-dynamik og P-mobilisering under langvarig mætning blev der udviklet en enkel tilgang baseret på gentagen prøvetagning af laboratorie mikrokosmos.
Abstract
Fosfor (P) er et kritisk begrænsende næringsstof i Agro økosystemer, der kræver omhyggelig forvaltning for at reducere transportrisikoen til vandmiljøet. Rutinemæssige laboratoriemålinger af P-biotilgængelighed er baseret på kemiske ekstraktioner udført på tørrede prøver under oxiderende betingelser. Mens nyttige, disse tests er begrænset med hensyn til karakterisering P frigivelse under langvarig vandmætning. Labile orthophosphat bundet til oxideret jern og andre metaller kan hurtigt Red til opløsning i at reducere miljøer, øge P mobilisering risiko for overflade afløbet og grundvand. For bedre at kvantificere P-desorptionspotentialet og mobiliteten under udvidet mætning blev der udviklet en mikrokosmos metode til laboratorieundersøgelser baseret på gentagen prøvetagning af porewater og overliggende vand på vandet over tid. Metoden er nyttig til kvantificering af P-frigivelse potentiale fra jord og sedimenter varierende i fysisk-kemiske egenskaber og kan forbedre site-specifikke P afbødning indsats ved bedre karakterisering P frigivelse risiko i hydrologisk aktive områder. Fordelene ved metoden omfatter dens evne til at simulere in situ -dynamik, enkelhed, lave omkostninger og fleksibilitet.
Introduction
Fosfor (P) er et kritisk begrænsende næringsstof for både afgrøde-og akvatiske biomasse produktivitet. Overfladevand hydrologi er en hoveddrivkraft for P skæbne og transport, da det styrer den fysiske transport af sediment og P samtidig påvirker remobilisering potentiale under afløbet og oversvømmelser/ponding begivenheder. Forskellige laboratoriebaserede ekstraktionsmetoder anvendes typisk til at anslå P-frigivelse ved felt skalaen under oxiderende betingelser. Mens forskellige mekanismer kan bidrage til P frigivelse, er reduktiv opløsning af jern-phosphater en veletableret reaktionsmekanisme, der kan føre til store ortopæhosphat-p flusmidler til vand1,2,3, 4. I en gennemgang af mekanismer, der kontrollerer P-biogeokemi i vådområder, var redox-status en hypotese, som var den vigtigste variable kontrollerende P-udledning til jord og lavt grundvand5. Som sådan, traditionelle P-tests kan ikke være pålidelige prædiktorer for P-frigivelse under langvarig mætning.
I betragtning af betydningen af vandets opholdsperiode og redox-status på P-skæbne og transport kan laboratoriemetoder, der har til formål bedre at simulere in situ -forhold, føre til forbedrede p-transport risiko indekser for landbrugs-og vådøkosystemer, der er omfattet variabel mætning. Da orthophosphat er umiddelbart biotilgængelig, kan hastigheden og omfanget af desorption under mætning anvendes som et indeks af nonpoint kilde P forureningsrisiko. Vores metode var designet til at kvantificere P desorption til porewater (PW) og mobilisering til overliggende oversvømmelsesområder (FW), en typisk tilstand i områder med variabel kildeområde hydrologi (f. eks oversvømmede landbrugsområder, vådområder, dræning grøfter, og riparian/ nær-Stream-zoner). Metoden blev oprindeligt udviklet til at karakterisere p frigivelse potentiale i sæsonmæssigt oversvømmede jord fra Northern New York (USA) og for nylig anvendt til at kvantificere p desorption potentiale af bred jord fra det nordvestlige Vermont Lake Champlain Basin6 . Her giver vi en protokol for laboratoriet mikrokosmos metode og fremhæver resultater fra en nyligt offentliggjort undersøgelse, der viser sin evne til at kvantificere P desorption potentiale. Vi demonstrerer også forholdet mellem P-udgivelses potentialet og pålideligheden af rutinemæssige jord test (labile ekstraherbare P, ph) for at forudsige frigivelse på tværs af websteder.
Gennemførelsen af metoden kræver adgang til et analytisk laboratorium med tilstrækkelig klimakontrol, ventilation, vand og et egentligt syre affaldsbortskaffelses system. Metoden forudsætter, at der er adgang til rutinemæssige kemiske reagenser og laboratorieudstyr (dræn, hætter, glasvarer osv.). Ud over rutinemæssige laboratorie behov kræves der et membran filtreringssystem (≤ 0,45 μm) og et UV-Spektrofotometer til måling af P. En pH-måler eller Multiparameter vandkvalitets sonde anbefales også, men ikke påkrævet. Laboratorie temperaturen er en vigtig faktor og bør holdes konstant, medmindre temperaturen i sig selv undersøges som en eksperimentel faktor (20 °C anbefales). Uhindret adgang til et passende analytisk laboratorium med korrekt udstyr er en forudsætning for at udføre metoden korrekt og skabe meningsfulde resultater.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. indsamling af prøver
- Saml ca. 4 liter jord (eller sediment) fra de ønskede steder. Indsamlingsområder bør være relativt små for at begrænse rumlig variation i P og jordegenskaber.
- Prøver gennem en grov (20 mm) skærm efterfulgt af en 2 mm skærm. Grundigt hånd-mix prøver efter sigtning.
- Vejer 100 g af felt-fugtig jord eller sediment. Tør i en ovn ved 105 °C i 24 timer og Beregn gravimetrisk vandindhold (jord vands masse/tør jord masse).
- Tag en 500 mL delprøve til kemisk analyse.
Bemærk: jordens pH, indhold af organisk materiale og koncentrationen af labile uorganisk P (PI) anbefales jord test. Her blev labile jord pi tilgængelighed vurderet af: 1) pi ekstraheret af 1,25 mol L-1 ammonium-acetat (pH = 4,8; i det følgende benævnt modificeret Morgan ekstraherbare P) målt colorimetrisk7,8, 2) pi udvundet af destilleret vand og 3) P ekstraheret af 1,25 mol L-1 ammonium-acetat (pH = 4,8) målt ved induftivt koblet plasma-optisk emissions spektroskopi (ICP)8. - Brug resterende sigtet jord til mikrokosmos undersøgelser eller Opbevar i polyethylen poser ved 5 °C til senere brug.
Bemærk: jorden tørrer ud, når den opbevares i køleskab i lange perioder (> 30 dage) og vil kræve fjernelse. Jordprøverne må ikke fryses, da det påvirker mikrobiel integritet og P-frigivelse potentiale.
2. mikrokosmos konstruktion
- Brug en-liters (1 L) gradueret polypropylen eller andre ikke-reaktive plast bægre som individuelle eksperimentelle enheder (mikrokosmos). Vask bægre i 10% saltsyre og tredobbelt Skyl med destilleret vand.
- Mål 2 cm op fra bunden og Placer et mærke ved siden af bæger gradueringer. Bore en 1,25 cm diameter hul til dræning havne.
- Placer en lille silikone perle rundt om den indvendige kant af slange modhager og ydre omkreds af borehullet. Indsæt forsigtigt afløbs porten i hullet.
Bemærk: Lad lufttørring i mindst 24 timer, før du fortsætter til trin 2,4. - Spor den udvendige omkreds af slange modhager på nylon mesh filter skærm og skåret ud med saks. Påfør en tynd perle af silikone omkring omkredsen af hvert filter på den udvendige kant og tryk på filtre på slange Barb indløb. Giv mindst 24 timers tørretid før brug.
Bemærk: en porestørrelse på 100 μm anbefales til de fleste applikationer; men finere tekstureret jord kan kræve en større filter porestørrelse for at undgå overdreven lang PW prøve indsamlings tiden. - Sæt en kort stykke 0,625 cm diameter latex slange til slange Barb ender. Vedhæftet en 3,3 cm bred papir binder clips til slangen for at forhindre flow.
3. udførelse af en phosphorfrigivelses prøve
- 500 mL prøve anbringes i duplikerede mikrokosmos og påføres forsigtigt destilleret vand langs bægervæg, indtil FW når 1 L-mærket.
Bemærk: Tillad mikrokosmos at ækvibrere for 24 − 48 timer før du tager indledende prøver. - Frigør papir bindere for at fremkalde PW flow gennem drænport. Indsaml prøverne ved at anbringe rene 30 mL-bægre direkte under PW-dræn porte. Flere mL PW kan dræne, kassere og anvende de næste 10 mL som repræsentativ prøvevolumen.
- Filter PW prøver gennem 0,45 μm membranfiltre og straks analysere for opløselige reaktive P (SRP). Optag absorbans værdier og tidspunkt for målingerne.
Bemærk: SRP antages generelt at være orthophosphat; dog kan molybdatreaktiv P også danne komplekser med kolloider og/eller nanopartikler, som passerer gennem 0,45 μm filtre4. - Tag indledende FW prøve ved at indsætte en 10 mL pære sprøjte pipette halvvejs ned i vandsøjlen og trække en prøve ved hjælp af en cirkulær bevægelse. Tøm til bægre, Filtrer og analysér straks for SRP.
- Udskift vand fra vandet ved at fylde bægre op til 1 L-niveauet med destilleret vand.
Bemærk: fordampningstabet vil variere. Målet er konsekvent at opretholde en samlet mængde (oversvømmet jord + vandsøjle) på 1 L i alle mikrokosmos. Udskiftning af fordampnings vandtab har ubetydelige fortyndings virkninger på SRP. - Gentag trin 3,2 til 3,5 baseret på det ønskede antal tidspunkter for P-frigivelse til analyse.
Bemærk: antallet af prøver, der tages over tid, afhænger af eksperimententer mål. Prøveudtagning en til tre gange om ugen er tilstrækkelig til mange anvendelser, forudsat inkubationer er tæt på 20 °C. Inkuberet ved højere temperaturer øger SRP'S frigivelses hastigheder og vil kræve hyppigere prøvetagning. Hensigten her er at vise nytten af mikrokosmos metode i stedet for at fokusere på dataanalyse fra eksperimenter. Både kinetisk baserede og empiriske modeller til at passe P desorption/sorption data præsenteres andetsteds9,10. Da mikrokosmos metode bygger på en gentagen foranstaltninger design og rummer replikation og forskellige behandlinger, generelle lineære blandede modellering tilgange er også passende11.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Resultaterne fra en nylig undersøgelse fokuseret på p frigivelse potentiale af bred områder er fremhævet for at demonstrere metodens evne til at karakterisere site-niveau p Release Dynamics6. Mens nogle jorder viste minimale ændringer i SRP over tid, andre havde store stigninger i PW-og FW-SRP koncentrationer (figur 1). To steder med kontrasterende tendenser er vist i figur 1. Jord 7 er en Bredsted med lav jord ph og karakteriseret ved næsten kontinuerlig SRP sorption fra PW (figur 1a). Jord 14 blev udtaget fra en tilstødende majs produktion felt med forhøjet labile jord PI (jord 14) og viste næsten en 7-fold stigning i PW-SRP i den første måned af oversvømmelse (figur 1b).
I modsætning til PW-SRP-koncentrationerne havde FW-SRP tendens til at falde over tid (figur 1). Porewater Ferro FE (fe2 +) blev også målt som en proxy for redox status. I alt men én jord steg PW-fe2 + betydeligt efter ca. 3 uger, hvilket indikerer reduktions forholdene. Da jord tørring ændrer organisk kulstof og PI opløselighed, blev to lokaliteter også tørret før oversvømmelser. Oversvømmelse tør jord betydeligt øget pi desorption til PW og efterfølgende mobilisering til overliggende vand i forhold til oversvømmelse af samme jord i en Mark-fugtig tilstand (figur 1c, D).
Vælg jord P tests blev også udført for at bestemme deres pålidelighed til at forudsige gennemsnitlige SRP-koncentrationer. Destilleret vand og modificeret Morgan ekstraherbare P (målt ved molybden kolorimetri) var blandt de bedste prædiktorer for gennemsnitlige PW-og FW-SRP-koncentrationer (figur 2a, C). Modificeret Morgan ekstraherbare p målt ved ICP var ikke så god til en prædiktor sammenlignet med modificeret Morgan ekstraherbare p målt ved molybdatskolorimetri eller destilleret vand (figur 2c). Forholdet mellem PW og SRP: FW-SRP steg lineært som en funktion af jordens pH-værdi (figur 2D).
Figur 1: koncentrationen af opløseligt reaktivt fosfor (SRP) i jord-porewater (PW) og overliggende vand (FW) over en 75-dages inkubation for en bred jord med lav pH-værdi og labile PI (a), en jord fra en majs produktion felt med høj labile PI (B) og en bred jord oversvømmet felt-fugtig (C) vs. oversvømmelser efter tørring (D). Fejllinjer repræsenterer standardafvigelsen for dublerede mikrokosmos målinger. Data blev ændret fra Young og Ross6 med tilladelse. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Mean porewater (PW) og oversvømmelsesområder (FW) opløselige reaktive p (SRP) koncentrationer over eksperimentet som en funktion af modificeret Morgan ekstraherbar p målt ved molybdvarkolorimetri (a), modificeret Morgan ekstraherbare p (pi + organisk p) målt ved indutivt koblet plasma emission optisk emission spektroskopi (B), og destilleret vand (C). D) forholdet mellem gennemsnitlig PW-SRP: FW-SRP for studiet som funktion af jordens pH-værdi. Data blev ændret fra Young og Ross6 med tilladelse. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En af de vigtigste tekniske fordele ved mikrokosmos-tilgangen er dens evne til at simulere in-situ -forhold, hvorved mættet jord eller sediment straks overvurderes af FW, der kan variere betydeligt i redox-og P-status. Landskaber med variabel kildeområde hydrologi såsom dræning grøfter, oversvømmede dyrkede arealer, vådområder, og riparian/Near-Stream zoner er alle eksempler på, hvor reduceret PW periodisk overhalet af mere oxideret vand med lavere pi koncentrationer. Disse redox-gradienter kan have en stærkt indvirkning pi sorption/desorption og derfor mobilitet til overflade-og grundvand1,2,3,4,5,6, 12,13,14. I modsætning til mere rutinemæssige ekstraktioner eller PI sorptionsisotherms simulerer mikrokosmos metoden naturligt reduktionsforhold, da mikrobiel respiration forbruger opløst PW oxygen. Samtidig forbliver FW åben for omgivende luft, hvilket muliggør diffusion af ilt til FW, svarende til naturlige forhold i marken. I det omfang overliggende vand forbliver oxiderende, kan opløste metaller som fe2 + og MN2 + SPREDE sig opad fra PW og resorb SRP ved oxidation ved aerobe grænseflader, hvilket medvirker til at forhindre SRP-mobilisering til FW2, 3,6,14,15. Denne særlige pi sorptionsmekanisme er vigtig i vådområder, sedimenter i søen og oversvømmede landbrugsjord. Mikrokosmos-metodens evne til at fange disse essentielle naturlige system dynamikker giver en fordel i forhold til mere traditionelle metoder.
Vores resultater fremhæver også vigtigheden af rutinemæssige kemiske målinger i jord/sediment som potentielle prædiktorer for PW-og FW-SRP-frigivelse. For eksempel leverede både destilleret vand og modificeret Morgan ekstraherbare Pi pålidelige estimater af gennemsnitlige SRP-koncentrationer over inkubationen, hvilket indikerer, at tidligere sorbed labile PI er en vigtig begrænsning af omfanget af pi-frigivelse. Mængden af ekstraherbar PI er en vigtig variabel til styring af landbrugs P ud over at være et input til empiriske og procesbaserede vandkvalitets modeller16. Forholdet mellem PW og SRP: FW-SRP var lineært relateret til jordens pH-værdi, hvilket indikerer en højere fraktion af PW-SRP mobiliseret til FW ved højere pH. Denne virkning skyldes formentlig, at opløseligheden af stærkt P-sorbing metalkationer såsom al3 + og fe3 + stiger ved lavere pH og derfor lettere danner obligationer med SRP i opløsning (Bemærk det er også veletableret, at ortopæhosphat tilgængelighed i jorden tendens til at blive maksimeret ved en pH tæt på neutralitet på grund af den samme mekanisme). Resultaterne viste også, at oversvømmelse tør jord væsentligt øget pi frigivelse. Forbedret pi opløselighed efter tørring er også blevet rapporteret af andre17,18,19 og er værd at yderligere forskning for at raffinere nuværende P cykling modeller. Det er klart, at interaktioner mellem jordens egenskaber (labile pi-status, jordens pH-værdi, mineralogi) og redox-udsving kan påvirke pi-frigivelse og-mobilitet kraftigt. Mikrokosmos metoden letter isolationen og interaktionen mellem disse og andre faktorer og tillader eksperimenter under kontrollerede forhold, mens de simulerer in situ -miljøer.
Den mikrokosmos tilgang let rummer ændringer, der kan være af interesse for P forskere. Foruden variation i grundlæggende kemiske og fysiske egenskaber, der påvirker pi-frigivelse, vil tilsætning af jordbunds ændringer (dvs. husdyrgødning/gødning, biotørstof, kompost og P-sorbing materialer) og andre forvaltningsaspekter fortsat være vigtige Overvejelser. Da ændringer i temperaturen stærkt påvirker pi frigivelse/sorptionskinetik9,20 og redox reaktioner9,15,20, eksperimenter designet til at isolere temperatur effekter på pi frigivelse kan også være gavnlig. Desuden kan der let foretages forsøg med PI sorptionskapacitet ved at tilsætte kendte mængder pi til FW og måle forsvinden over tid3; mængden af P-sorbed kan derefter relateres til jordens egenskaber for at forudsige pi-retention i vådområde økosystemer. I betragtning af metodens enkelhed, lave omkostninger og fleksibilitet, andre design modifikationer er også muligt afhængigt af mål.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at dette arbejde blev udført i fravær af kommercielle eller finansielle relationer, der kunne fortolkes som en potentiel interessekonflikt.
Acknowledgments
Finansiering blev stillet til rådighed af Vermont Water Resources og Lake Studies Center gennem en aftale med den amerikanske geologiske undersøgelse. Konklusioner og udtalelser er dem af forfatterne og ikke Vermont vandressourcer og Lake Studies Center eller USGS.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1.25 cm plastic hose barbs | numerous | NA | |
| Chemical reagents for phosphorus determination | numerous | NA | P analysis capability is assumed; refer to cited references for details on method |
| Chordless or electric drill with 1.25 cm bit | numerous | NA | |
| Graduated plastic beakers (1L) | numerous | NA | |
| Laboratory with fume hoods, temperature control, and acid waste disposal system | NA | NA | |
| Nylon mesh filter screen (100um) | numerous | NA | |
| Silicone | numerous | NA | |
| UV Spectrophotometer | numerous | NA |
References
- Patrick, W. H., Khalid, R. A. Phosphate release and sorption by soils and sediments: Effect of aerobic and anaerobic conditions. Science. 186 (4158), 53-55 (1974).
- Moore, P. A., Reddy, K. R. Role of Eh and pH on phosphorus geochemistry in sediments of Lake Okeechobee, Florida. Journal of Environmental Quality. 23, 955-964 (1994).
- Young, E. O., Ross, D. S. Phosphate release from seasonally flooded soils: a laboratory microcosm study. Journal of Environmental Quality. 30 (1), 91-101 (2001).
- Henderson, R., et al. Anoxia-induced release of colloid- and nanoparticle-bound phosphorus in grassland soils. Environmental Science & Technology. 46 (21), 11727-11734 (2012).
- Vidon, F., et al. Hot spots and hot moments in riparian zones: potential for improved water quality management. Journal of the American Water Resources Association. 46 (2), 278-298 (2010).
- Young, E. O., Ross, D. S. Phosphorus mobilization in flooded riparian soils from the Lake Champlain Basin, VT, USA. Frontiers in Environmental Science. 6 (120), 1-12 (2018).
- McIntosh, J. L. Bray and Morgan soil extractants modified for testing acid soils from different parent materials. Agronomy Journal. 61 (2), 259-265 (1969).
- Young, E. O., Ross, D. S., Cade-Menun, B. J., Liu, C. Phosphorus speciation in riparian soils: a phosphorus-31 nuclear magnetic resonance and enzyme hydrolysis study. Soil Science Society of America Journal. 77 (5), 1636-1647 (2013).
- McGechan, M. B., Lewis, D. R. Sorption of phosphorus by soil: Part 1. Principles, equations, and models. Biosystems Engineering. 82 (1), 1-24 (2002).
- Cabrera, M. L. Modeling phosphorus in runoff: Basic approaches. Modeling Phosphorus in the Environment. Radcliffe, D. E., Cabrera, M. L. , CRC Press. Boca Raton, FL. 65-81 (2007).
- Gbur, E. E., et al. Analysis of Generalized Linear Mixed Models in the Agricultural and Natural Resources Sciences. , American Society of Agronomy, Crop Science Society of America, Soil Science Society of America. Madison, WI. (2012).
- Moore, P. A., Reddy, K. R., Fisher, M. M. Phosphorus flux between sediment and overlying water in Lake Okeechobee, Florida: Spatial and temporal variations. Journal of Environmental Quality. 27 (6), 1428-1439 (1998).
- Young, E. O., Briggs, R. D. Phosphorus concentrations in soil and subsurface water: A field study among cropland and riparian Buffers. Journal of Environmental Quality. 37 (1), 69-78 (2008).
- Hoffmann, C. C., Kjaergaard, C., Uusi-Kämppä, J., Hansen, H. C. B., Kronvang, B. Phosphorus retention in riparian buffers: review of their efficiency. Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1942-1955 (2009).
- Bartlett, R. J., Ross, D. S. Chemistry of Redox Processes in Soils. Chemical Processes in Soils, SSSA Book Ser. 8. Tabatabai, M. A., Sparks, D. L. , SSSA. Madison, WI. 461-487 (2005).
- Radcliffe, D. E., Freer, J., Schoumans, O. Diffuse phosphorus models in the United States and Europe: Their usages, scales, and uncertainties. Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1956-1967 (2009).
- Bartlett, R. J., James, B. R. Studying dried, stored soil samples—some pitfalls. Soil Science Society of America Journal. 44 (4), 721-724 (1980).
- Turner, B. L., McKelvie, I. D., Haygarth, P. M. Characterization of water extractable soil organic phosphorus by phosphatase hydrolysis. Soil Biology & Biochemistry. 34 (1), 27-35 (2002).
- Turner, B. L., Haygarth, P. M.
- Sparks, D. L. Kinetics of reactions in pure and mixed systems. Soil Physical Chemistry. Sparks, D. L. , CRC Press. Boca Raton, FL. (1986).
